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Nat Commun:中科院地质地球所陈林研究组等揭示青藏高原形成的地壳流变制约机制

摘要 : 2017年7月19日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志在线发表了中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室副研究员陈林与澳大利亚Monash大学博士Fabio Capitanio、美国UIUC博士Lijun Liu以及ETH教授Taras Gerya,合作开展了三维热-力学模拟研究研究揭示青藏高原形成的地壳流变制约机制。

2017年7月19日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志在线发表了中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室副研究员陈林与澳大利亚Monash大学博士Fabio Capitanio、美国UIUC博士Lijun Liu以及ETH教授Taras Gerya,合作开展了三维热-力学模拟研究研究揭示青藏高原形成的地壳流变制约机制。

印度与亚洲大陆之间的碰撞造就了现今地球上最大、最高的高原——青藏高原(图1a)。自Argand(1924)提出印度地壳整体性下插到青藏高原之下的模型算起,近百年的研究为人们理解高原的构造演化积累了丰富的观测数据。然而,对青藏高原如何形成的问题仍然没有取得一致的看法,存在“构造逃逸”、“一致性增厚”、“下地壳流”等多种模型。这些模型无法解释青藏高原的地壳变形及结构沿造山带走向的变化。

最近,地震学的研究结果显示(图1b~图1d):(1)俯冲的印度岩石圈在地幔中的角度从西到东逐渐变陡;(2)亚洲岩石圈沿着青藏高原北缘下插到高原之下,尤其是在西部帕米尔高原下方,俯冲极性发生了反转,即印度岩石圈变成了上覆板块。这些观测结果预示:在沿碰撞带走向上,岩石圈结构及物性存在强烈的非均一性。这种非均一性可能继承于碰撞前亚洲大陆南缘经历的多期微陆块增生事件。因此,沿着印度-亚洲碰撞边界地壳成分以及岩石圈强度存在重大差异。现今青藏高原在西部(邻接塔里木盆地)狭窄而在东部宽阔(图1a),可能就是岩石圈强度横向差异的反映。然而,亚洲大陆沿造山带走向的强度变化在青藏高原的形成过程中起的作用仍然不清楚。

针对上述科学问题,研究组人员设计了三组模型:(1)在第一组模型中,上板块的下地壳流变性质用“基性麻粒岩”(Wang et al., 2012)来表征,代表强度弱的亚洲岩石圈(图2a);(2)在第二组模型中,上板块的下地壳流变性质用“辉绿岩”(Mackwell et al., 1998)来表征,代表强度大的亚洲岩石圈(图2b);(3)在第三组模型中,上板块的下地壳由两部分组成,左部分(0~200 km)的下地壳用“辉绿岩”来表征,右部分(200~1000 km)的下地壳用“基性麻粒岩”来表征(图3)。下板块的下地壳流变性质均由“斜长石”(Ranalli, 1995)来描述。模拟结果显示:弱的亚洲地壳有利于应变向北传递,最终在碰撞带的后方形成一个宽阔的造山高原(图2a);相比之下,强的亚洲地壳抑制了高原的形成,造山吸收了大部分会聚量,同时强的亚洲岩石圈下插到印度岩石圈下方,形成了一个反极性的俯冲(图2b)。当将二者合并到同一个模型中时,在模型左部(即西部)形成了一个窄的造山带,同时上板块向南下插到造山带之下,形成了反极性的俯冲;而在模型右部(即东部)形成了宽广的造山高原,下板块俯冲到高原之下(图3)。将模拟结果与印度-亚洲碰撞带的主要特征进行对比(图1),作者认为亚洲大陆地壳的强度非均一性控制了青藏高原岩石圈变形及其结构的东西向变化。

研究对认识大陆地壳流变性质在造山带演化中的作用具有重要的启示意义。

图1 青藏高原及其邻区的地形与岩石圈结构

图2 模拟结果。(a) 弱的亚洲地壳模型,(b) 强的亚洲地壳模型

图3 综合模型的模拟结果。上板块左部分(0≤Z≤200 km)的下地壳由“辉绿岩”组成,右部分(200≤Z≤1000 km)由“基性麻粒岩”组成

原文链接:

Crustal rheology controls on the Tibetan plateau formation during India-Asia convergence

原文摘要:

The formation of the Tibetan plateau during the India-Asia collision remains an outstanding issue. Proposed models mostly focus on the different styles of Tibetan crustal deformation, yet these do not readily explain the observed variation of deformation and deep structures along the collisional zone. Here we use three-dimensional numerical models to evaluate the effects of crustal rheology on the formation of the Himalayan-Tibetan orogenic system. During convergence, a weaker Asian crust allows strain far north within the upper plate, wher a wide continental plateau forms behind the orogeny. In contrast, a stronger Asian crust suppresses the plateau formation, while the orogeny accommodates most of the shortening. The stronger Asian lithosphere is also forced beneath the Indian lithosphere, forming a reversed-polarity underthrusting. Our results demonstrate that the observed variations in lithosphere deformation and structures along the India-Asia collision zone are primarily controlled by the strength heterogeneity of the Asian continental crust.

来源: Nature Communications 浏览次数:0

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